专利名称：多普勒信号频谱计算方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多普勒信号频谱计算方法与装置，尤其是涉及 一种在超声诊断系统中用于计算多普勒血流或者组织的信号频谱的 方法与装置。
背景技术：
频谱多普勒技术被广泛用于人体内血流(或者组织运动)速度 的无损检测和测量。以超声多普勒血流信号检测为例，经过发射换 能器将电信号转变为超声信号，然后，入射到人体内。超声信号遇 到人体细胞(例如组织细胞或者血细胞)会发生散射，部分散射信 号到达接收换能器。接收换能器再将散射的声信号转变为电信号， 接收到的微弱电信号经过低噪声放大、正交解调、低通滤波，得到 两路音频正交多普勒信号。由于组织和血管壁回波具有比血细胞回 波大得多的散射幅度，因此往往要使获得的正交多普勒信号先通过 一个高通滤波器(又称壁滤波器)，以滤除极低频率的组织和管壁 回波信号。对获得的多普勒信号进行频谱分析，就可获得该信号的
功率i普。对不同时刻的多普勒信号求功率谱就可获得多普勒信号的 声谱图，该声语图可送到显示器进行显示。同时，采集到的正交多 普勒信号经过方向分离，分别获得对应于正向血流和反向血流的音 频多普勒信号，该信号分别送到一对立体声扬声器的左、右声道输 出。另外，可以在声谱图上提取平均频率曲线、最大频率曲线，并 从中计算出一些重要的临床诊断参数。
现有超声诊断系统通常对多普勒信号进行傅立叶变换来计算多 普勒信号的功率谱。在频谱计算之前，先对采集到的一段多普勒信号用窗函数进行加权处理，对加窗后的信号进行固定长度(如256点) 的FFT计算，然后对计算得到的系数取模的平方。当信号的长度小于 FFT计算的点数的时候，对加窗后的信号进行补零，使得补零后的信 号长度为FFT计算所需要的点凄t (如256点)。经过上述计算获得的声 谱图的时间和频率分辨率完全取决于窗函数的种类和长度。而窗函 数的种类通常是固定的，因此窗函数的长度也就决定了声谱图的分 辨率。为了保证显示的声谱图有较好的时间分辨率，窗函数的长度 通常与多普勒信号的采样率(即脉冲多普勒信号的脉冲重复频率或 者连续波多普勒信号的釆样率)和相邻谱线更新的时间间隔相关。 比如，信号采样率增加，则窗函数长度增加；相邻谱线更新的时间 间隔增加，则窗函数长度增加。但是当待检测目标的运动速度较低 (例如信号采样率下降到1kHz以下)，且要求的谱线更新时间较短(例 如语线更新间隔为4ms)的时候，为了满足较好的时间分辨率，上述 传统方法所需的窗函数很短，从而使频谱的频率分辨率下降很多， 并导致很大的速度估计误差。另外，也可以利用Autoregressive模型(即 AR模型)对超声多普勒信号进行建模，通过对AR模型的参数进行Z变 换(也可以用FFT实现快速Z变换)可获得信号的频谱。由于AR模型 是纯极点模型，在极点对应的频率上会产生一个非常大的谱峰，因 此直接利用AR模型的参数计算的功率谱具有非常大的动态范围，且 随信号带宽的变化功率谱曲线会产生非常大的改变，声谱图显示形 态显得不自然。文献[3]和[4]结合上述两种方法提出了一种利用AR模型 对采集到的多普勒信号进行建模，然后利用该AR模型对采集到的信 号进行预测估计(即实现信号外插值)，将采集到的信号与预测估 计的信号拼接后进行加窗和FFT计算处理。该方法一定程度上解决了 时间和频率分辨率的问题，声谱图的显示形态也与传统的基于FFT的 方法一样。但是，AR模型参数估计和信号的预测将使得实现成本大 大提高，且AR模型参数的估计偏差可能导致预测信号和拼接信号具 有不同的频率信息，并最终导致声谱图显示的畸变。
发明内容
本发明针对现有技术存在的这些缺点，提供一种多普勒信号频 谱计算方法与装置，其直接根据估计出的多普勒信号的平均频率、
功率和带宽，利用解析函数才莫型估计多普勒信号的功率谱。为了实 现这一目的，本发明所采取的才支术方案如下。
按照本发明实施例的第 一 方面，提供一种用于计算多普勒信号
频谱的方法，包括以下步骤估计步骤，用于对多普勒信号进行参 数估计，所述参数用于表征多普勒信号的强度、频率中心、以及频 率离散度；以及计算步骤，用于利用所述参数求解预定的频谱函数， 所述频谱函数至少是用于表征多普勒信号强度、频率中心、以及频 率离散度的参数的函数。
可选的是，按照本发明实施例第一方面的用于计算多普勒信号 频谱的方法，还包括平滑步骤，用于对估计的参数进行平滑处理。 优选的是，所述平滑处理为线性或非线性滤波。其中所述参数包括 多普勒信号的功率、平均频率、以及带宽。所述平滑处理包括对估 计的功率、平均频率、以及带宽的其中一个或多个进行平滑处理。
优选的是，在所述估计步骤中，利用自相关法进行所述参数估 计，或者利用一阶AR模型进行所述参数估计。
其中所述预定的频谱函数是频率的连续函数。所述频率的连续 函数可以是高斯函数，其中所述高斯函数的幅度取决于表征多普勒 信号强度的参数，所述高斯函数的中心取决于表征多普勒信号的频 率中心的参数，所述高斯函数的宽度取决于表征多普勒信号的频率 离散度的参数。
按照本发明实施例的第二方面，提供一种用于计算多普勒信号 频语的装置，包括以下模块估计模块，用于对多普勒信号进行参 数估计，所述参数用于表征多普勒信号的强度、频率中心、以及频 率离散度；以及计算模块，用于利用所述参数求解预定的频谱函数,
所述频谱函数至少是用于表征多普勒信号强度、频率中心、以及频 率离散度的参数的函数。
可选的是，按照本发明实施例第二方面的用于计算多普勒信号
频谱的装置，还包括平滑模块，用于对估计的参数进行平滑处理。 优选的是，所述平滑模块为线性滤波器或非线性滤波器。其中所述 参数包括多普勒信号的功率、平均频率、以及带宽。所述平滑模块 对估计的功率、平均频率、以及带宽的其中一个或多个进行平滑处 理。
优选的是，所述估计模块利用自相关法进行所述参数估计，或 者利用 一 阶AR模型进行所述参数估计。
按照本发明技术方案的多普勒信号频谱计算方法与装置，获得 的声谱图具有^f艮高的时间和频率分辨率，而且无需进行复杂的运算， 例如，大于二阶的AR模型参数估计或者256点的FFT计算等等。可以 利用很低的成本实现较高质量的声i普图。
图1是典型的超声诊断成像系统中多普勒处理单元组成框图； 图2是按照本发明实施例的多普勒信号频谱计算方法流程图； 图3是按照本发明实施例的计算多普勒信号频谱的装置的结构 示意图4是采用现有技术获得的声i普图5是按照本发明的方法或装置获得的声谱图。
具体实施例方式
1.计算多普勒信号频谱的方法
超声诊断成像系统中多普勒处理单元的典型组成如图1所示。 射频超声回波信号经过波束合成100后，进行正交解调102以获得I
(in-phase)、 Q (quadrature)正交多普勒信号。当系统同时工作在两 维成像模式和频谱多普勒模式的时候，多普勒信号存在间隙，需经 过间隙填充104以获得连续的频谱显示和声音输出。填充后的多普勒 信号经过高通滤波器106去除大量大幅度的组织和管壁低频信号。高 通滤波后的信号经过频语分析108获得多普勒信号的声谱图，利用声 谱图提取最大频率、平均频率等曲线，并从中计算出一些重要的临 床诊断参数110。这些参数经过扫描转换112后，其中声谱图和最大 频率曲线在显示器114上实时显示。高通滤波后的信号还经过血流方 向分离116获得正向和反向血流的多普勒信号，该信号经过数/模转 换118后分别送到立体声扬声器120的左、右声道进行输出。
本发明实施例提出的 一种多普勒信号频谱计算方法的流程图如 图2所示。首先，对获得的多普勒信号选取其中一段进行参数估计(步 骤200)，估计的参数用于表征这段多普勒信号的强度、频率中心和 频率离散度。其中选取的信号长度可以是多普勒信号采样率和谱线 更新时间间隔的函数，即随着多普勒信号采样率的下降，选取信号 的长度变短，随着谱线更新时间间隔的变短，选取信号的长度也变 短。考虑到参数估计的准确性，选取信号的长度不能少于某预定的 长度；另外考虑到处理的复杂度，选取信号的长度也可以限制为不 大于某预定的长度。估计的参数可以是信号的功率、平均频率、带 宽。参数估计的方法可以是自相关法
iv=￡(/,.a+1-/,+必)，
"=X(V,+1+2U，
其中R(O)表示信号的功率，M为选取信号的长度。根据参量N和D可 进一步获得
其中Phase为信号的平均角频率，除以2兀即获得归一化的数字频率。 根据Magn和R(O)可以估计出信号的方差
另外，从信号处理分析可知，自相关法计算获得上述参数与一 阶AR模型法获得参数完全等效，即一阶AR模型的极点的相位即对 应于Phase,极点的模即对应于上述的Magn/R(0)，而功率的计算方法 也类似。因此，两者之间可以互换用来计算多普勒信号的功率、平 均频率和带宽。
由于受噪声以及选取信号长度等影响，所估计出的平均频率、 带宽和功率可能存在误差，因此可以通过平滑处理(步骤202 )，来 降低这些误差。而且，可以对三个参数进行不同的平滑处理，比如 只对带宽进行平滑，而平均频率和功率不进行平滑。平滑处理可以 选择线性的或者非线性的滤波，比如选择线性数字低通滤波器或者 中值滤波器进行滤波平滑。
平滑后的平均频率、带宽、功率代入预先选定的一个功率镨函 数进行功率i普的计算(步骤204)。该功率谱函数是上述三个参数和 频率的函数。为了更好地显示频谱形态，要求该函数为一个连续函 数，即在平均频率、带宽、功率三个参数确定后，该功率谱函数的 函数值随频率连续变化。在本实施例中，选择高斯函数作为功率语 函数<formula>complex formula see original document page 10</formula>
其中P。为功率，BW为带宽，f。为平均频率。声谱图通常是对功率谱 函数经过对数压缩后的显示，上述功率谱函数经过对数压缩后变为<formula>complex formula see original document page 11</formula>
可见，经过上述运算即可获得用于显示的声谱图。
考虑到数字信号在频域的周期性，即上述功率谱函数可进一步 表示为
<formula>complex formula see original document page 11</formula>
经过上述处理后，发生频镨混叠的信号也能得到很好的表示。
2.计算多普勒信号频谱的装置
按照本发明实施例的计算多普勒信号频i普的装置如图3所示， 包括估计模块300、平滑模块302、以及计算模块304,其中平滑模块 302是可选的。估计模块300用于对多普勒信号进行参数估计，所述 参数用于表征多普勒信号的强度、频率中心、以及频率离散度；在 本实施例中估计模块300优选地利用自相关法来进行参数估计，或者 利用一阶AR模型来进行参数估计。平滑模块302用于对估计的参数 进行平滑处理，在本实施例中平滑模块302优选地为线性滤波器或非 线性滤波器；另外，平滑模块302可以对估计的功率、平均频率、以 及带宽的其中一个或多个进行平滑处理。计算模块304利用所估计的 参数求解预定的频谱函数，所述频谱函数至少是用于表征多普勒信
号强度、频率中心、以及频率离散度的参数的函数；在本实施例中， 选择高斯函数作为预定的频谱函数。
图4给出了利用现有的基于FFT的方法获得的心肌组织运动的 多普勒声谱图，由于心肌运动速度很低，多普勒信号的采样率也很低，导致获得的声谱图的时间和频率分辨率都较差，无法清晰获得
每个心动周期不同时刻的心月/Li^动状况。图5给出了按照本发明实施 例的方法或装置获得的多普勒声语图，每个心动周期不同时刻心肌 的运动速度都能清晰显示，为临床诊断带来很大的便利。
以上通过具体的实施例对本发明做了说明，但本发明并不局限 于上述实施例。熟悉多普勒信号处理的人可以对本实施例进行适当 的删减、增加或者替换部分处理环节而得到类似的效果，例如采用 除自相关法和一阶AR模型法之外的方法来估计获得多普勒信号的平 均频率等参数，或者利用平方根频率代替平均频率，或者利用其它 连续函数代替高斯功率i普函数，等等。对本实施例的任何修改、删 减、增加或替换，只要未背离本发明的精神，应该均属于本发明的 保护范围。
参考文献
在本说明书背景技术部分中对现有技术进行介绍时，参考了以 下文献 Roy B. Peterson' Ultrasonic color flow imaging using autoregressive processing, US Patent 5226420,1993. Walter T. Hartwell， Gustavus H. Zimmerman, III, Non-invasive blood flow measurements utilizing autoregressive analysis with averaged reflection coefficients, US Patent 4719923,1988. John S. Wang, Method and system for ultrasound enhanced-resolution spectral Doppler' US Patent 6030345,2000.
[4〗John S. Wang, Method and system for ultrasound enhanced-resolution spectral Doppler， US Patent 6306093， 2001.
问Yuanyuan Wang, Peter丄Fish, Arterial Doppler signal simulation by time domain processing, European Journal of Ultrasound, 1996， 71~81.
权利要求
1.一种用于计算多普勒信号频谱的方法，其特征在于，包括估计步骤，用于对多普勒信号进行参数估计，所述参数用于表征多普勒信号的强度、频率中心、以及频率离散度；以及计算步骤，用于利用所述参数求解预定的频谱函数，所述频谱函数至少是用于表征多普勒信号强度、频率中心、以及频率离散度的参数的函数。
2. 如权利要求1所述的用于计算多普勒信号频谱的方法，其特征 在于，还包括平滑步骤，用于对估计的参数进行平滑处理。
3. 如权利要求2所述的用于计算多普勒信号频谱的方法，其特征 在于所述平滑处理为线性或非线性滤波。
4. 如权利要求1至3中任何一项所述的用于计算多普勒信号频谱 的方法，其特征在于所述参数包括多普勒信号的功率、平均频率、以及带宽。
5. 如权利要求4所述的用于计算多普勒信号频谱的方法，其特征 在于所述平滑处理包括对估计的功率、平均频率、以及带宽的其中 一个或多个进行平滑处理。
6. 如权利要求1至3中任何一项所述的用于计算多普勒信号频谱 的方法，其特征在于在所述估计步骤中，利用自相关法进行所述参数估计。
7. 如权利要求1至3中任4可一项所述的用于计算多普勒信号频谱 的方法，其特征在于 在所述估计步骤中，利用一阶AR模型进行所述参数估计。
8. 如权利要求1至3中任何一项所述的用于计算多普勒信号频谱 的方法，其特征在于所述预定的频谱函数是频率的连续函数。
9. 如权利要求8所述的用于计算多普勒信号频语的方法，其特征 在于所述频率的连续函数是高斯函数，其中所述高斯函数的幅度取 决于表征多普勒信号的强度的参数，所述高斯函数的中心取决于表 征多普勒信号的频率中心的参数，所述高斯函数的宽度取决于表征 多普勒信号的频率离散度的参凄t 。
10. —种用于计算多普勒信号频谱的装置，其特征在于，包括估计模块，用于对多普勒信号进行参数估计，所述参数用于表 征多普勒信号的强度、频率中心、以及频率离散度；以及计算模块，用于利用所述参数求解预定的频谱函数，所述频谱 函数至少是用于表征多普勒信号强度、频率中心、以及频率离散度 的参数的函数。
11. 如权利要求10所述的用于计算多普勒信号频谱的装置，其特 征在于，还包括平滑模块，用于对估计的参数进行平滑处理。
12. 如权利要求11所述的用于计算多普勒信号频谱的方法，其特 征在于所述平滑模块为线性滤波器或非线性滤波器。
13. 如权利要求10至12中任何一项所述的用于计算多普勒信号 频谱的装置，其特征在于所述参数包括多普勒信号的功率、平均频率、以及带宽。
14. 如权利要求13所述的用于计算多普勒信号频谱的装置，其特征在于所述平滑模块对估计的功率、平均频率、以及带宽的其中一个 或多个进行平滑处理。
15. 如权利要求10至12中任何一项所述的用于计算多普勒信号 频普的装置，其特征在于所述估计模块利用自相关法进行所述参数估计。
16. 如权利要求10至12中任何一项所述的用于计算多普勒信号 频谱的装置，其特征在于所述估计模块利用 一阶AR模型进行所述参数估计。
全文摘要
本发明公开了一种用于计算多普勒信号频谱的方法与装置。所述方法包括估计步骤，用于对多普勒信号进行参数估计，所述参数用于表征多普勒信号的强度、频率中心、以及频率离散度；平滑步骤，用于对估计的参数进行平滑处理；以及计算步骤，用于利用所述参数求解预定的频谱函数，所述频谱函数至少是用于表征多普勒信号强度、频率中心、以及频率离散度的参数的函数。其中所述装置包括估计模块，平滑模块，以及计算模块。按照本发明技术方案的多普勒信号频谱计算方法与装置，获得的声谱图具有很高的时间和频率分辨率，而且无需进行复杂的运算。可以利用很低的成本实现较高质量的声谱图。
文档编号G06F17/10GK101342083SQ200710137259
公开日2009年1月14日 申请日期2007年7月12日 优先权日2007年7月12日
发明者羽 张 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司